光學(xué)第二章課件

光學(xué)第二章課件第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日第二章光闌、像差和成像光學(xué)儀器2.1光闌

系統(tǒng)中的一些固定或可變的帶孔屏障或光學(xué)元件的邊緣——光闌光闌（或其像）對入射光束的限制光闌的像（或光闌）對共軛出射光束的限制光闌孔徑光闌視場光闌第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日孔徑光闌

A.S.的作用：限制成像光束口徑控制到達(dá)像面的光能視場光闌

F.S.的作用：限制物面上能成像的范圍限制視場的大小一.孔徑光闌和視場光闌第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日二.光闌限制的共軛原理D’DPD’DP’MN∑N’M’結(jié)論：光闌（或其像）對入射光束的限制與光闌的像（或光闌）對其共軛出射光束的限制，兩者完全等價如果任意入射線PM與D’D’的邊框部分相交，其共軛出射線必被DD阻擋；同理，另一入射線PN能“通過”D’D’，其共軛出射線必能通過DD

第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日三.孔徑光闌的確定方法入瞳和出瞳確定系統(tǒng)孔徑光闌的方法:將系統(tǒng)中各光闌分別經(jīng)其前面的光學(xué)元件成像于系統(tǒng)的物空間,其中對軸上點張角最小的那個像所對應(yīng)的光闌即為孔徑光闌A.S.孔徑光闌

與軸上物點位置有關(guān),具有限制軸上物點的成像光束孔徑角的作用。第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日入瞳—孔徑光闌通過其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像(En.P.)

決定進(jìn)入系統(tǒng)光束的大小,如D’D’入射孔徑角—由軸上物點對入瞳半徑的張角出瞳—孔徑光闌通過它后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像(Ex.P.)

決定從系統(tǒng)出射光束的大小，如DD出射孔徑角—出瞳半徑對軸上物點的共軛點所形成的張角注意：入瞳、孔徑光闌、出瞳三者相互共軛第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日主光線（chiefray）—

通過物點和入瞳中心的光線軸上物點的主光線為光軸邊緣光線

(marginelray)—通過物點和入瞳邊緣的光線邊緣光線必通過孔徑光闌和出瞳邊緣第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日四.視場光闌的確定方法入窗和出窗物

PQ上Q1點以上的主光線都被透鏡邊緣擋住而不能通過系統(tǒng)—透鏡邊緣的邊框限制著通過系統(tǒng)的主光線—限制著物面上的成像范圍視場光闌將系統(tǒng)中各光闌逐個地對其前面光學(xué)系統(tǒng)成像，求出系統(tǒng)的入瞳。將所有這些像對入瞳中心張角，其中最小張角者所對應(yīng)的光闌即系統(tǒng)的視場光闌.入窗—視場光闌經(jīng)前面光學(xué)系統(tǒng)的像---限制物方視場的大小出窗—視場光闌經(jīng)后面光學(xué)系統(tǒng)的像---限制像方視場的大小注意：視場光闌、入窗、出窗共軛確定方法第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日并不是所有視場以外各點的光線都被視場光闌擋住而不能進(jìn)入系統(tǒng)參加成像，QQ1上的各點仍有部分光線進(jìn)入系統(tǒng)，不過物點離軸越遠(yuǎn)，形成的像點越暗—這種現(xiàn)象稱為漸暈。通常規(guī)定其主光線能進(jìn)入系統(tǒng)的物點為視場的邊緣點物方視場—能進(jìn)入系統(tǒng)的主光線相應(yīng)的物點在物面上的范圍（PQ1）像方視場—物方視場的共軛像點在像面上的范圍（P’Q’1）物方視場角

像方視場角第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日三.光闌與景深三維物體成像在一個像面上的清晰度問題----用光闌對成像光束的口徑加以限制如果在O點前后一段距離內(nèi)，物體上各點在屏上生成的像都可以認(rèn)為是清晰的，則物空間內(nèi)這一段距離—景深像空間內(nèi)相應(yīng)的距離---焦深光束越細(xì)—景深越長光闌越大—景深越短第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日例2.1-1

兩個薄透鏡L1、L2的孔徑為4.0cm，L1為凹透鏡L2為凸透鏡，它們的焦距分別為8cm和6cm，鏡間距離為3cm，光線平行于光軸入射。求系統(tǒng)的孔徑光闌、入瞳和出瞳及視場光闌。解：首先將L1和L2分別對其前面光學(xué)系統(tǒng)成像，L1對其前面光學(xué)系統(tǒng)的像就是他本身，而L2經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)即L1所成的像，L1的右側(cè)2.2cm出高2.9cm的縮小虛象L’2平行光入射,L’2小于L1,L2既是孔徑光闌又是出瞳L’2為入瞳;L1對L’2的中心張角比L’2對自身中心的張角小L1為視場光闌第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.2像差實際成像理想成像像差：幾何像差復(fù)色光形成像差—色差單色光形成像差—單色像差：球差、彗差、像散、像場彎曲、畸變波像差波面發(fā)生變化實際波面理想波面非近軸成像一.單色像差第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日1.球差軸上物點發(fā)出的寬光束經(jīng)薄透鏡后不再交于一點，無論觀察屏在何處都將出現(xiàn)彌散斑的現(xiàn)象度量球差大小會聚透鏡發(fā)散透鏡減小球差的辦法：可選取不同曲率的透鏡或復(fù)合透鏡第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日球面像差第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.彗差軸外傍軸物點發(fā)出的寬光束經(jīng)透鏡折射后不再交于一點，而在高斯像面上形成彗星狀彌散斑注意：球差和彗差往往同時存在，消除球差后才明顯觀察到彗差。已消除球差后傍軸物點寬光束成像的條件：一對共軛點——阿貝正弦條件第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日球差和慧差同時存在第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日3.像散遠(yuǎn)離軸上物點發(fā)出的窄光束經(jīng)透鏡后不再交于一點引入子午平面和弧矢平面子午光束和弧矢光束主軸子午焦線最小模糊圓弧矢焦線高斯焦面第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日4.像場彎曲垂直于光軸的平面物體只有在近軸區(qū)域才近似成像為一個平面，對較大物面，像面不是平面而是曲面—場曲5.畸變當(dāng)物體發(fā)出光線與主軸有較大傾角時，即使是窄光束，所成像與原來的物不再相似—各部分放大率不一樣：桶形畸變、枕形畸變第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日二.色差光的顏色由光的頻率決定—顏色由波長決定1.光的色視覺理想單色光——多種單色光疊加在一起——復(fù)色光注意：白光為復(fù)色光，能形成白色光的兩種單色光稱為互補色：紅與青綠與品紅藍(lán)與黃三基原色紅(R)

綠(G)

藍(lán)(B)700.0nm546.1nm435.8nm(1931CIE-RGB)645.2nm526.3nm444.4nm(1964CIE-RGB)第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日注意：復(fù)色光照在某種表面由于反射或吸收率對波長具有選擇性，同種復(fù)色光在不同表面的反射得到的視覺效果是不同的。2.透鏡的色差透明介質(zhì)折射率與入射波長相關(guān)位置色差放大率色差單個透鏡無法消除色差,用凹透鏡與凸透鏡粘和起來，其系統(tǒng)主面與透鏡重合可消放大率色差要完全消除色差,必須使透鏡系統(tǒng)的焦距相等、焦點重合第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.3人眼的光學(xué)系統(tǒng)眼睛與照相機類似，由兩大部分組成：A

光學(xué)成像系統(tǒng)

B

感光認(rèn)知系統(tǒng)一.人眼的構(gòu)造人眼成像:空氣-角膜、水狀液-晶狀體、晶狀體-玻璃三個界面的折射成像單球面折射系統(tǒng)Ⅰ.在視網(wǎng)膜上成倒立的像，感覺正立是神經(jīng)系統(tǒng)的校正Ⅱ.瞳孔2—8mm，可變光闌，調(diào)節(jié)入射光強弱Ⅲ.睫狀肌改變晶狀體曲率---調(diào)焦第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日桿狀細(xì)胞(弱光)和錐狀細(xì)胞(強光)視網(wǎng)膜中心—黃斑(0.25mm最敏感區(qū))視神經(jīng)出口區(qū)域無感受器—盲點，由于眼球不斷轉(zhuǎn)動,盲點幾乎無影響一.人眼的構(gòu)造第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日二.人眼的調(diào)解遠(yuǎn)點—眼睛完全松弛狀態(tài)下看清楚的最遠(yuǎn)點，正常眼的遠(yuǎn)點在無窮遠(yuǎn)近點—睫狀肌最大收縮(焦距最短)看清的最近距離。一般,人眼最舒適的明視距離為20---30cm。近視眼—眼球過長,當(dāng)睫狀肌完全松弛時,無窮遠(yuǎn)物體成像在視網(wǎng)膜的前方,遠(yuǎn)點在有限遠(yuǎn)—凹透鏡矯正遠(yuǎn)視眼—眼球過短,無限遠(yuǎn)物體成像在視網(wǎng)膜的后方,近點一般比正常眼要遠(yuǎn)—凸透鏡矯正散光—角膜的缺陷可能造成眼睛在一個平面(例如鉛直平面)內(nèi)的折射比另一平面(例如水平面)內(nèi)大,導(dǎo)致眼睛所看到的物像失真—柱面鏡矯正第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日三.簡化眼模型正立物所對應(yīng)的視角為正倒立物體對應(yīng)的視角為負(fù)所有助視儀器(放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡)均為增大視角而設(shè)計最小分辨角—能夠分辨的最靠近的兩點對人眼所張的角視角—人眼對物體的張角最小分辨角從幾何上看由視網(wǎng)膜上錐細(xì)胞的排列精細(xì)程度決定，實際上對物體的分辨角的限制是光的衍射效應(yīng)對最小分辨角的限制。第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日四.視見函數(shù)單位時間內(nèi)光通過某面元的各種波長的總電磁輻射，稱為通過該面元的輻射通量。人眼對光的亮暗感覺光的輻射通量光的波長都有關(guān)一般的視覺敏感范圍：390—760nm

注意：光照充足對550nm最敏感；光照弱對505nm敏感可解釋why？在夜色朦朧之夜，我們總感到周圍世界籠罩了一層藍(lán)綠的色彩。第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日◆用逐階比較方法可以精確地判斷兩種顏色的明亮感覺是否相同——對該波長的視見函數(shù)

假設(shè)波長是550nm和的兩種光引起相同的明暗感覺，它們分別需要輻射能通量和瓦特，表示人眼對各種波長光的相對敏感程度。注意：紅外光和紫外光無論具有多大功率也不能引起人眼視覺的反應(yīng)，其視見函數(shù)值為零，所以成為不可見光。第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日光譜響應(yīng)曲線：光檢測器，諸如光電池、光電倍增管、磁頭、感光乳膠等也只能感受一定范圍的波長，并且對每種波長的響應(yīng)程度（反應(yīng)的靈敏度）也不同。圖2.3-3視見函數(shù)曲線圖2.3-4光譜響應(yīng)曲線第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.5放大鏡和目鏡一.視角和視角放大率簡稱儀器放大率人眼直接觀察物體的視角和視網(wǎng)膜上像高物體通過助視儀器生成像的視角和視網(wǎng)膜上像高二.放大鏡放大率：第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日使用放大鏡的典型方法1.將物體置于放大鏡物方焦面上結(jié)論：視角放大率與放大鏡到眼睛距離無關(guān)2.將放大鏡的虛像調(diào)到人眼明視距離處(1)如果放大鏡緊靠人眼可見兩種情況放大率僅差1,一般所以(1)式表示放大鏡的視角放大率第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日三.目鏡目鏡相當(dāng)于放大鏡,目鏡用于觀察前面透鏡儀器所成的中間像,放大鏡是直接觀察物的。目鏡一般是由兩個或兩個以上的復(fù)合透鏡組成,靠近眼睛的透鏡叫目鏡,靠近物體(虛)的,叫場鏡.1.惠更斯目鏡—兩個同材料的平凸透鏡組成,凸面都迎著光線注意：由于惠更斯目鏡的物方主點在兩透鏡之間,只用于觀察像?；c和基面結(jié)構(gòu)第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.冉斯登（J.Ramsten）目鏡結(jié)構(gòu)特征——兩個同材料的平凸透鏡,平面向外,凸面相對第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日2.5顯微鏡光學(xué)顯微鏡由兩組透鏡構(gòu)成:焦距極短的物鏡

Lo

目鏡

Le復(fù)雜透鏡組(消除像差)物體在明視距處的視角正切顯微鏡放大率遠(yuǎn)大于目鏡中間放大實像最后無限遠(yuǎn)放大虛像小物位于物鏡物方焦點外側(cè)附近第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日顯微鏡的光學(xué)間隔：物鏡的像方焦點到目鏡的物方焦點的距離—光學(xué)間隔：物鏡像方焦點到它所生成像P’Q’的距離1.顯微鏡的放大率與其光學(xué)筒長成正比；2.物鏡和目鏡的焦距越短，放大率越大；